Estudo do sistema e simulações
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Introdução
Abaixo encontra-se o esquemático do sistema a ser estudado.
Estudo do sistema
Inicialmente foi realizado um experimento quasi-estático para um levandamento da curva de abertura e fechamento da válvula.
Foram estimados modelos que melhor representam o sistema em malha aberta para uma resposta em degrau de 0,5 lps, da válvula inspiratória aberta para a pressão ambiente. Após a análise foi definido o modelo subamortecido de 2 ordem como melhor aproximação do sistema, conforme a figura e tabela abaixo:
Finalmente, a dinâmica do sistema pode ser aproximada para o modelo P2DU :
Controle VCV
O controlador VCV consiste em um PIDFF (PID + feedforward) nos ciclos inspiratórios e em uma posição de fechamento absoluta (posição 600) nos ciclos expiratórios.
Conforme definido anteriormente, o modelo que represenda a válvula inspiratória e dado por:
Onde os ganhos 'G' são determinados pelo polinomio 
.
.Já o modelo que representa o sistema respiratório do paciente pode ser descrito como:
, onde Ré a resistência das vias aéreas me cmH2O/L/s e Ca complacência em cmH2O/ml.Desta forma, o modelo representando o comportamento da pressão de boca do paciente, em malha fechada, pode ser descrito por:
Para estimar o comportamento de fluxo durante a ventilação, foi levada em conta o aumento da pressão de boca, ou seja, uma perda de carga devido ao aumento da pressão à jusante da válvula inspiratória para uma pressão à montante de 150 cmH2O. Essa estimativa levou em conta uma queda no fluxo proporcional a queda de pressão:
Somente o ganho controlado pelo feedforward não é suficiente para convergir ao valor alvo, nem de suportar a perda de carga devida ao aumento na pressão de boca do paciente à medida que seu sistema respiratório é preenchido. É necessário, portanto, acrescentar um controlador mais robusto, como um controlador PID.
Foi realizado um estudo do lugar das raízes do sistema, para ventilar pacientes com diversas resistências e complacências e foram sintonizados um controlador PI e um controlador PID para esse caso. Por fim, buscou-se melhorar a resposta do controlador PID, através de uma sintonizaação empírica, visando também outras complacências e resistências, chegando-se a um terceiro PID, chamado 'PID melhorado'.
Análise Ventilador-paciente (VCV)
Sintonização PID para controle VCV
Controle PCV
Para o controle da pressão, primeiramente, foi realizado um estudo do comportamento da pressão para cada paciente utilizando apenas o controle VCV. A partir dessa análise e do bom resultado do controle de volume, foi escolhido controlar a pressão de boca em cascata com o controlador de volume. Dessa forma, o PID de pressão recebe como entrada o setpoint de pressão e transforma em fluxo, que por sua vez é enviado como entrada do PID de fluxo implementado anteriormente. O esquemático pode ser visto abaixo:
Análise Ventilador-paciente malha aberta (PCV)
Como era de se espererar, a interação entre paciente e ventilador, para uma onda quadrada de fluxo, gera uma curva de pressão "trapezoidal", o complemento de uma pressão resistiva (uma onda da mesma forma do fluxo) com uma pressão elástica (uma onda da mesma forma do volume). Foi possível verificar também o efeito do sobre-sinal de fluxo na pressão resistiva, o que terá como consequência uma maior pressão inspiratória e deve ser mitigado.
Sintonização PID para controle PCV
PID para fluxo:
PID para pressão:
Simulações
Os modelos do sistema e do controlador foram inseridos no modelo simulink do ventilador, conforme as figuras abaixo, para uma análise de desempenho do controle VCV e desenvolvimento do controlador PCV.
O modelo da valvula inspiratória recebe o número de pulsos e tansfoma em fluxo, de acordo com dados extraídos de ensaios quasiestáticos abrindo e fechando a válvula lentamente. Dessa forma é possível reproduzir nos ganhos a histerese presente no funcionamento das válvulas. Após, há a função de transferência com ganho 1, baseada no modelo P2DU, reproduzindo a dinâmica do sistema. Por fim, uma perda de carga devido a variação da pressão de boca do paciente é introduzida, simulando a redução de fluxo à medida que o sistema respiratório do paciente é preenchido.
O Controlador PID e seus ganhos podem ser visto abaixo:
